CRESCIMENTO DE CRISTAIS ALUMENS DE METAIS DE TRANSIÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICAS – CFM

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

QUÍMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL I – QMC 5136

PROFESSOR: BRUNO SZPOGANICZ

EXPERIMENTO 3

CRESCIMENTO DE CRISTAIS ALUMENS DE METAIS DE TRANSIÇÃO

Daniel Hada Júnior

Guilherme Schutz Leite

José Mário Jr.

FLORIANÓPOLIS, 29 DE SETEMBRO DE 2015.

RESUMO

O experimento foi realizo em duas etapas, onde a primeira consistiu na preparação de um sal duplo através da mistura de suas soluções equimolares, o de sulfato de magnésio heptahidratado (MgSO4.7H2O) e sulfato de amônio ((NH4)2SO4), mantida em repouso para a formação de cristais. O rendimento obtido foi de 95,83%. Para a obtenção do cristal de alúmen de cromo e potássio, preparou-se uma solução aquosa de dicromato de potássio, resfriada previamente em banho de gelo para adição de etanol e ácido sulfúrico (com agitação) de modo a não ultrapassar a temperatura de 60ºC, mantendo o meio propício à reação de oxirredução. A solução homogênea foi deixada em repouso durante sete dias, resultando em uma pequena formação/precipitação de cristais de alúmen. O tratamento de resíduos de cromo (VI) foi realizado de maneira correta, de acordo com o método anexado à apostila, convertendo o cromo ao seu respectivo hidróxido, provocando posterior precipitação através da neutralização das soluções com adição (de forma lenta) de carbonato de sódio. Filtrando-se o precipitado, é realizada a secagem e calcinação em mufla, para obtenção do óxido.

INTRODUÇÃO TEÓRICA

Um cristal é um sólido homogêneo no qual os constituintes, sejam eles átomos, moléculas ou íons, estão organizados em um padrão tridimensional bem definido que se repete no espaço, dando forma a uma estrutura com geometria específica que, em condições favoráveis, pode estar se manifestando macroscopicamente, de forma externa, por superfícies limitantes, planas e lisas. Em geral, os cristais formam-se a partir de substâncias fluidas à medida que estas vão sofrendo solidificação ou precipitação (caso se trate de uma solução). A forma mais comum de cristalização consiste na existência de uma solução, a partir da qual o material que forma o cristal vai precipitando e, no processo, cada átomo ou molécula vai assumindo uma posição que é determinada pelos átomos ou moléculas vizinhas. A arrumação das partículas e a sua persistência no lugar que ocupam na malha cristalina, é determinada pela existência de um mínimo energético nessa posição, correspondente à otimização das ligações formadas entre as partículas.

Figura 1. Célula unitária da estrutura de um cristal, como exemplo, o sal (NaCl).

Dois métodos clássicos são empregados na obtenção de cristais: o primeiro envolve a preparação de uma solução saturada, onde gradualmente é resfriada até que se torne supersaturada (processo de recristalização), consistindo em uma diferença de solubilidade de compostos em relação à temperatura do solvente (constante de solubilidade). A formação de cristais ocorre a partir de dois principais eventos: a nucleação e o crescimento dos cristais (crescimento molecular). A nucleação é a etapa em que as moléculas do soluto dispersas no solvente começam a se juntar em clusters (agregação), em escala nanométrica (um bilionésimo de metro). Esses clusters constituem o núcleo e só se tornam estáveis a partir de certo tamanho crítico que depende das condições de operação (temperatura, supersaturação, irregularidades, etc). Caso não atinjam a estabilidade necessária, são redissolvidos. É nesse estágio que os átomos se arranjam de uma forma definida e periódica que define a estrutura do cristal. O crescimento do cristal é subsequente ao crescimento do núcleo que atingiu o tamanho crítico do cluster. A nucleação e o crescimento continuam a ocorrer simultaneamente enquanto a supersaturação existir. Dependendo das condições, tanto a nucleação quanto o crescimento podem ser predominantes um sobre o outro e, consequentemente, os cristais obtidos com tamanhos e formatos diferentes. Quando a supersaturação é ultrapassada, o sistema sólido-liquido atinge o equilíbrio e a cristalização está completa, a menos que as condições de operação forem modificadas do equilíbrio de forma a supersaturar a solução novamente.

O segundo método de preparação de um cristal é a evaporação gradual de uma solução saturada a temperatura constante. Nestas condições, tem-se cada vez mais sal por unidade de volume. Por fim, será alcançado o ponto em que a quantidade de água presente não pode reter por mais tempo o sal em solução e este começa a precipitar, assumindo forma sólida. Em ambos os casos é necessário preparar solução saturada na temperatura em que se deseja fazer crescer o cristal (geralmente perto da temperatura ambiente) e ter a disposição, alguns pequenos cristais que possam atuar como “germens” no processo de cristalização. Muitas vezes, a conjugação destes processos com a adição de um solvente miscível no qual o composto a cristalizar seja menos solúvel pode conduzir a cristais muito bem formados.

Os sais duplos são uma classe de compostos de adição que se formam quando quantidades estequiométricas de dois compostos estáveis são misturadas. Tais compostos perdem sua identidade em solução, existindo, portando, apenas no estado cristalino. Os sais duplos são aqueles que possuem na sua constituição dois tipos de cátions, sendo que nenhum deles pode ser o H+, e um ânion ou dois ânions, em que nenhum deles é o OH- e um cátion (KNaSO4; CaClBr). Um sal duplo pode ser obtido por cristalização conjunta de dois sais simples (com um íon comum), por reação de um ácido poliprótico (ácido com mais de um íon H+, por exemplo, o H2SO4) com duas